利用氯化钙优化咖啡加工废水处理中的溶气浮选工艺

《ACS Omega》：Optimization of Dissolved Air Flotation in the Treatment of Coffee Processing Wastewater Using Calcium Chloride

咖啡加工废水（CPW）通过CaCl?絮凝与DAF优化处理，最佳条件为5 bar压力、80%回流比、30分钟浮选，浊度去除率65%、UV254化合物去除率70%，显著优于无CaCl?的40%浊度去除率。

　　咖啡加工废水（CPW）作为一种高有机负荷、低pH值以及高固体含量的废水，其不当排放会对环境造成严重的影响。因此，研究有效的处理方法对于减轻其对环境的负担至关重要。本研究探讨了使用氯化钙作为澄清剂，结合溶解气浮（DAF）技术处理CPW的效果，并对DAF操作参数进行了优化。实验结果表明，添加氯化钙能够显著提高浊度和UV254有机物的去除效率，分别为65%和70%，而未添加氯化钙的处理效果则相对较差，仅达到40%的浊度去除率，且对UV254化合物的去除效果不明显。通过中央复合旋转设计（CCRD）进行实验规划，确定了最佳的操作条件，为咖啡加工废水的处理提供了科学依据和优化方向。

### 1. 引言

咖啡作为全球第二大农业商品，仅次于石油，是国际贸易中的重要组成部分。巴西、哥伦比亚、印度尼西亚、洪都拉斯和埃塞俄比亚是主要的咖啡生产与出口国。在咖啡的收获和加工过程中，咖啡豆需要进行分离和处理，这通常采用干法或湿法。湿法由于其能够提供更高品质的咖啡，因此在国际上被广泛采用。然而，湿法加工会产生大量废水，即咖啡加工废水（CPW），这些废水具有低pH值、高有机负荷、高营养物质浓度以及高悬浮和溶解固体含量等特征。CPW的不当排放会破坏生态平衡，因此在排放前必须进行适当的处理。

物理化学处理方法，如凝聚-絮凝（coagulation-flocculation），因其在去除固体、有机物和其他污染物方面的有效性，被广泛应用于废水处理。此外，这种方法还具有较高的成本效益。凝聚-絮凝的过程包括两个阶段：首先，通过剧烈搅拌将凝聚剂加入废水中，以破坏有机胶体的稳定性；其次，在絮凝阶段，通过温和搅拌形成较大的絮状物，以促进悬浮颗粒的去除。盐类，如氯化钙，可以提高凝聚-絮凝过程的效率，因为它们能增加溶液的离子强度，从而中和悬浮颗粒的电荷，促进絮状物的形成。

在凝聚-絮凝之后，使用溶解气浮（DAF）技术可以进一步去除絮状物。DAF是一种废水处理技术，通过在水中生成微气泡，使其附着于悬浮颗粒，从而促进颗粒的上浮和去除。气浮技术特别适用于处理低密度颗粒的废水，其处理效果通常优于沉淀法。因此，本研究旨在评估氯化钙对CPW处理效果的影响，并通过优化DAF的操作参数，提高处理效率。

### 2. 材料与方法

#### 2.1 废水

咖啡加工废水（CPW）是在“Colibri e Jatobá”农场收集的，该农场位于巴西米纳斯吉拉斯州的Paula Candido市。废水样本被装入塑料容器中，并在4°C的冷室中冷藏，以确保实验期间的稳定性。CPW的特性包括低pH值（4.6）、高浊度（868 NTU）、高总COD（7597 mg/L）和高总固体含量（12494 mg/L）。这些数据为后续实验提供了基础信息。

#### 2.2 实验设计

本研究采用中央复合旋转设计（CCRD）进行实验规划，总共进行了20次独立且随机的试验。实验变量包括饱和压力（bar）、回流比（%）和气浮时间（min），分别设定为高、低和中间水平。具体而言，饱和压力范围为2.00至6.00 bar，回流比为10%至100%，气浮时间为5至45分钟。通过统计分析，确定了最佳的处理参数。

在实验过程中，1升CPW被加入2升烧杯中，以400 rpm的速度进行快速搅拌1分钟，随后以150 rpm的速度进行慢速搅拌15分钟。实验条件相同，仅在是否添加氯化钙方面有所区别。添加氯化钙的实验中，使用了1.5克的氯化钙（CaCl2），该剂量基于初步实验确定，能够有效去除浊度和UV254有机物。未添加氯化钙的实验则使用相同的搅拌条件，但未加入任何凝聚剂。

在气浮阶段，使用了名为“flotatest”的设备（218-3 Flow, Nova ética），该设备包括压缩机、饱和室和气浮柱。饱和室中的压力被调整为2至6 bar，并在实验前压入2分钟。根据实验计划，回流比被设定为不同的值，以观察其对气浮效率的影响。气浮时间则根据实验设计调整，范围在5至45分钟之间。最终，从气浮柱底部收集0.5升处理后的废水，用于分析浊度和UV254有机物的去除效率。

#### 2.3 分析方法

浊度的测定使用了便携式浊度计（ORION AQ3010），而UV254有机物的测定则通过使用1.00 μm孔径的玻璃微纤维滤膜进行过滤后，在254 nm波长下使用分光光度计（Hach DR 6000）进行测量。为了计算去除效率，使用了方程3和方程4。其中，方程3用于计算去除效率（ε），而方程4用于计算绝对去除量（R）。所有实验数据均以三次测量的平均值为准，以减少误差。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 氯化钙实验结果

表3显示了使用氯化钙处理CPW时的浊度和UV254有机物的去除效率。浊度的去除率在30.74%至68.89%之间，而UV254有机物的去除率则在4.80%至76.02%之间。这些数据表明，氯化钙的加入能够显著提高去除效率，特别是在较高的饱和压力和回流比条件下。例如，在饱和压力为5 bar、回流比为80%、气浮时间为30分钟的情况下，浊度的去除率达到65.55%，UV254有机物的去除率达到72.29%。

表4显示了未使用氯化钙处理CPW时的浊度去除效率。浊度的去除率在无去除至46.77%之间，这表明在没有氯化钙的情况下，DAF技术的处理效果有限。此外，未使用氯化钙的实验中，UV254有机物的去除率不显著，这说明氯化钙在去除有机物方面具有重要作用。

#### 3.2 统计分析与回归模型

为了评估模型的拟合效果，研究采用了R2、调整R2和预测R2等指标。对于使用氯化钙的实验，浊度的R2为0.84，UV254有机物的R2为0.93，表明模型能够较好地拟合实验数据。然而，调整R2与预测R2之间的差异可能意味着模型中存在无关变量或交互效应。相比之下，未使用氯化钙的实验中，浊度的R2为0.97，调整R2为0.94，预测R2为0.64，显示出较高的模型拟合度。

通过分析方差（ANOVA）可以进一步验证模型的显著性。对于使用氯化钙的实验，浊度的ANOVA结果显示模型显著（p < 0.05），且所有变量均对浊度去除率有显著影响。UV254有机物的ANOVA结果同样显示模型显著，且变量之间的交互作用对去除率有重要影响。未使用氯化钙的实验中，浊度的ANOVA结果表明模型同样显著，且变量之间的相互作用对去除率有显著影响。

#### 3.3 模型验证

为了验证模型的准确性，进行了三次额外的实验。这些实验的结果与模型预测值进行了比较，以确保平均观察值在95%预测区间（PI）内。表10和表11显示了使用氯化钙和未使用氯化钙的实验结果。在使用氯化钙的情况下，浊度的去除率达到了65%，UV254有机物的去除率达到了70%。而在未使用氯化钙的情况下，浊度的去除率仅为40%。这些结果验证了模型的有效性，并表明氯化钙在提高处理效率方面具有重要作用。

#### 3.4 优化参数分析

通过等高线图可以直观地看出不同操作参数对DAF处理效果的影响。图1A显示，在饱和压力高于4.5 bar和回流比高于70%的情况下，浊度的去除率最高。图1B则显示，在饱和压力高于3 bar和回流比高于80%的情况下，UV254有机物的去除率最高。这些结果强调了氯化钙在处理过程中的重要性，特别是在去除有机物方面。

在未使用氯化钙的情况下，图2显示浊度的去除率较低，但通过调整操作参数，仍然能够达到40%的去除率。这表明即使没有氯化钙，DAF技术仍能有效去除悬浮颗粒，但其效率受到限制。回流比在气浮过程中起到了关键作用，因为它决定了气浮柱中气泡的数量。较高的回流比有助于维持气浮过程的平衡，促进悬浮颗粒和气泡的有效结合。

饱和压力是去除污染物的关键参数，因为它直接影响气泡在水中的溶解量。较高的压力能够生成更小的气泡，这些气泡具有更大的表面积，能够更有效地捕获悬浮颗粒。因此，调整饱和压力是优化气浮过程的重要手段。

气浮时间同样对处理效果有重要影响，因为它决定了气泡与絮状物接触的时间。较长的气浮时间有助于絮状物的充分分离，从而提高去除效率。然而，过长的气浮时间可能导致絮状物的碎片化，影响去除效果。

### 4. 结论

氯化钙在凝聚-絮凝过程中起到了重要作用，能够显著提高浊度和UV254有机物的去除效率。实验结果表明，在使用氯化钙的情况下，最佳处理条件为饱和压力5 bar、回流比80%和气浮时间30分钟，分别达到了65%和70%的去除率。而在未使用氯化钙的情况下，最佳条件为饱和压力5 bar、回流比80%和气浮时间36分钟，仅实现了40%的浊度去除率。

回流比和饱和压力是气浮过程中的关键变量，它们决定了气泡的数量和特性，从而影响污染物的去除效率。氯化钙的加入不仅提高了去除效率，还促进了絮状物的形成和稳定性，使其更有效地附着于气泡并被去除。这些结果表明，氯化钙在咖啡加工废水处理中具有重要的应用价值，能够为实现更高效和可持续的废水处理提供参考。未来的研究可以进一步探讨氯化钙对其他污染物的去除效果，并结合生命周期评估（LCA）方法，全面评估处理过程的环境影响。